一种用于识别钻井施工复杂情况的系统

摘要

本发明公开了一种用于识别钻井施工复杂情况的系统，包括：信息采集模块，其设置于地面钻井套管处，用于采集井下钻头破岩处的音频信号；信号分析模块，其通过信号传输线缆与信息采集模块连接，用于接收音频信号并对该信号进行声学特征分析；环境识别模块，其用于根据当前声学特征分析结果和正常声学特征，确定井下是否发生钻井异常情况，并在发生异常情况时确定异常情况的类型，得到相应的诊断结果，以及记录正常钻井环境下的声学特征；结果输出模块，其用于输出并响应所述诊断结果。本发明能够以较低的成本，及时并准确的发现、判断钻井过程中的井下复杂情况及对应类型。

说明书

技术领域

本发明涉及石油工程领域，具体地说，涉及一种用于识别钻井施工复杂情况的系统。

背景技术

钻井施工过程中，时常发生气侵、卡钻等井下钻井施工复杂情况，危害钻井安全。准确地发现和识别井下复杂情况，对防范钻井风险，减小损失有着重要意义。

目前应用的井下复杂情况识别方法，主要是利用录井信息，通过分析不同复杂情况的录井信息特征，来识别井下复杂情况。例如：分析钻井液入口流量和出口流量的变化，来识别井涌风险；或者通过分析大钩负荷的变化情况，来识别卡钻风险。

现有方法的主要问题是：(1)准确率不高。依靠测量钻井液返排量这样的录井参数来识别井下复杂情况，一方面，受到测量精度的限制，难以达到很高的精度；另一方面，录井参数的变化有可能由多种井下情况引起，往往难以准确判断井下具体发生了什么情况，容易发生误报、漏报。(2)对井下复杂情况的发现不够及时。井下复杂情况发生后，一般会逐步发展恶化，发现越早，越容易处置。由于正常钻进的情况下录井参数也在不断变化，因此，依靠录井参数判断井下复杂情况，需要分析一段时间的录井参数变化特征。当井下复杂情况发展到足以由录井参数变化规律判断出来时，已经形成了一定危害。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种用于识别钻井施工复杂情况的系统，包括：信息采集模块，其设置于地面钻井套管处，用于采集井下钻头破岩处的音频信号；信号分析模块，其通过信号传输线缆与所述信息采集模块连接，用于接收所述音频信号并对该信号进行声学特征分析；环境识别模块，其与所述信号分析模块连接，用于根据当前声学特征分析结果和正常声学特征，确定井下是否发生钻井异常情况，并在发生异常情况时确定异常情况的类型，得到相应的诊断结果；结果输出模块，其与所述环境识别模块连接，用于输出并响应所述诊断结果。

优选地，所述环境识别模块包括：钻井状态诊断子模块，其用于获取当前钻井工况信息，将所述当前声学特征分析结果和与所述当前钻井工况信息对应的所述正常声学特征进行对比分析，并判断当前对比分析结果是否在预设的变化范围内，得到表征井下钻井正常/异常的钻井状态诊断结果；和正常状态记录子模块，其用于在确定出当前井下未发生异常情况时，根据当前钻井工况信息，将所述当前声学特征分析结果作为所述正常声学特征保存至相应钻井工况对应的特征库。

优选地，在所述钻井状态诊断结果为异常时，所述环境识别模块，还包括：异常类型识别子模块，其用于根据对比分析结果，结合所述当前钻井工况信息，利用预设的不同钻井异常现象诊断条件，确定当前钻井工况下的异常情况的类型，其中，异常情况类型选自卡钻、井涌、井壁坍塌、钻具刺漏和气侵中的一种或几种。

优选地，所述异常类型识别子模块，包括：第一状态识别单元，其用于确定当前钻井工况，并获取所述对比分析结果，利用卡钻现象诊断条件中与当前钻井工况匹配的规则，确定当前井下是否发生卡钻现象，其中，在当前钻井工况为钻进工况时，从所述对比分析结果中筛选出当前频率声强变化特征，并结合正常钻进频率声强特征，计算第一频率范围内的平均声强幅度变化和第二频率范围内的平均声强幅度变化，若第一频率范围内的声强幅度减小程度达到或超过预设的卡钻钻进高频变化阈值，并且第二频率范围内的声强幅度增大程度达到或超过预设的卡钻钻进低频变化阈值，则确定当前钻井工况下井下将要或已经发生卡钻现象，所述第一频率范围的下限值高于所述第二频率范围的上限值；在当前钻井工况为起钻/下钻工况时，从所述对比分析结果中筛选出当前频率声强变化特征，并结合正常起钻/下钻频率声强变化特征，计算第一频率范围内的平均声强幅度变化和第二频率范围内的平均声强幅度变化，若第一频率范围内的声强幅度增大程度达到或超过预设的卡钻起钻/下钻高频变化阈值，并且第二频率范围内的声强幅度增大程度达到或超过预设的卡钻起钻/下钻低频变化阈值，则确定当前起钻/下钻工况下井下将要或已经发生卡钻现象。

优选地，所述异常类型识别子模块，包括：第二状态识别单元，其用于确定当前钻井工况，并获取所述对比分析结果，利用井壁坍塌现象诊断条件中与当前钻井工况匹配的规则，确定当前井下是否将要或已经发生井壁坍塌现象，其中，在当前钻井工况为钻进工况时，从所述对比分析结果中筛选出当前频率声强变化特征，并结合正常钻进频率声强特征，判断是否出现第一频率范围内的声强幅度持续降低且降低程度达到或超过正常频率声强的一半，以及持续时间达到预设的井壁坍塌持续时间范围并在该时间范围外恢复的现象，若满足，则确定当前钻进工况下井下将要或已经发生井壁坍塌现象。

优选地，所述异常类型识别子模块，包括：第三状态识别单元，其用于确定当前钻井工况，并获取所述对比分析结果，将所述对比分析结果按照预设的频率间隔进行划分，得到不同频率段的声强幅度变化特征，基于此，利用钻具刺漏现象诊断条件中与当前钻井工况匹配的规则，确定当前井下是否将要或已经发生钻具刺漏现象，其中，在当前钻井工况为钻进/划眼工况时，根据所述不同频率段的声强幅度变化特征，判断任意频率段中是否存在以钻具刺漏识别时间周期性出现的高峰或低谷，若存在，则确定当前钻进/划眼工况下井下将要或已经发生钻具刺漏现象，所述钻具刺漏识别周期时间与钻柱旋转周期相同。

优选地，所述异常类型识别子模块，包括：第四状态识别单元，其用于确定当前钻井工况，并获取所述对比分析结果，将所述对比分析结果按照预设的频率间隔进行划分，得到不同频率段的声强幅度变化特征，基于此，利用井涌现象诊断条件中与当前钻井工况匹配的规则，确定当前井下是否将要发生井涌现象，其中，在当前钻井工况为起钻工况时，根据所述不同频率段的声强幅度变化特征，判断每个频率段是否均出现在预设的井涌检测持续时间内的持续高峰，若出现，则确定当前起钻工况下井下将要发生井涌现象。

优选地，所述异常类型识别子模块，包括：第五状态识别单元，其用于确定当前钻井工况，并获取所述对比分析结果，将所述对比分析结果按照预设的频率间隔进行划分，得到不同频率段的声强幅度变化特征，基于此，利用气侵现象诊断条件中与当前钻井工况匹配的规则，确定当前井下是否将要或已经发生气侵现象，其中，在当前钻井工况为钻进工况时，根据所述不同频率段的声强幅度变化特征，计算第一频率范围内的平均声波衰减程度和第二频率范围内的平均声波衰减程度，若在预设气侵诊断时间阈值内第一频率范围内的平均声波衰减程度持续低于第二频率范围内的平均声波衰减程度，则确定当前钻进工况下井下将要或已经发生气侵现象。

优选地，在所述信号分析模块中，所述声学特征分析所采用的方法选自时域分析、频谱分析、声功率分析、神经网络分析中的一种或几种。

优选地，所述信息采集模块采用拾音器或水听器，其中，在当前钻井过程应用空气钻井工艺时，所述信息采集模块采用拾音器。

与现有技术相比，上述方案中的一个或多个实施例可以具有如下优点或有益效果：

本发明公开了一种用于识别钻井施工复杂情况的系统，该系统利用信号采集模块在靠近地面的套管内或套管外，收集钻井液返浆中的声波信号，通过信号分析模块分析声波信号的声学特征，而后，环境识别模块根据声学特征分析结果实时推算钻井状态，并在钻井状态异常时识别井下复杂情况的类型，从而能够以较低的成本，实时发现和判断钻井过程中的井下复杂情况类型的功能。与现有方法相比本发明具有更高的及时性和准确率，通过及时、准确地发现井下复杂情况，使钻井操作人员能够在井下复杂情况发生的早期，进行有效的处置，降低钻井复杂情况造成的风险和损失。

虽然在下文中将结合一些示例性实施及使用方法来描述本发明，但本领域技术人员应当理解，为并不旨在将本发明限制于这些实施例。反之，旨在覆盖包含在所附的权利要求书所定义的本发明的精神与范围内的所有替代品、修正及等效物。

本发明的其他优点、目标，和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书，权利要求书，以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例共同用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1为本申请实施例的用于识别钻井施工复杂情况的系统的整体结构示意图。

图2为本申请实施例的用于识别钻井施工复杂情况的系统的应用环境示意图。

图3为本申请实施例的用于识别钻井施工复杂情况的系统的第一状态识别单元的工作流程图。

图4为本申请实施例的用于识别钻井施工复杂情况的系统的第二状态识别单元的工作流程图。

图5为本申请实施例的用于识别钻井施工复杂情况的系统的第三状态识别单元的工作流程图。

图6为本申请实施例的用于识别钻井施工复杂情况的系统的第四状态识别单元的工作流程图。

图7为本申请实施例的用于识别钻井施工复杂情况的系统的第五状态识别单元的工作流程图。

具体实施方式

以下将结合附图及实施例来详细说明本发明的实施方式，借此对本发明如何应用技术手段来解决技术问题，并达成技术效果的实现过程能充分理解并据以实施。需要说明的是，只要不构成冲突，本发明中的各个实施例以及各实施例中的各个特征可以相互结合，所形成的技术方案均在本发明的保护范围之内。

另外，在附图的流程图示出的步骤可以在诸如一组计算机可执行指令的计算机系统中执行，并且，虽然在流程图中示出了逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤。

为了解决上述背景技术中的问题，一种用于识别钻井施工复杂情况的系统。在正常钻井施工过程中，井下钻头在破岩处表征施工状态的声音，能够沿井筒液柱传递到地面，并且该声音具有一定的音频特征，而发生井下复杂情况时，传递到地面的声音的音频特征将发生变化。具体变化与井下复杂情况有关，不同的井下复杂情况将引起不同的音频特征变化。因此，本发明通过记录传递到地面的钻井套管中的音频信号特征，并分析其变化情况，从而判断出当前井下是否发生钻井异常情况，并且还能够进一步在异常情况下识别井下所发生的具体是哪一种复杂情况。这样，由于井底声波沿着钻井管柱将含有钻进施工状态信息的声频信号，传递到地面并进行钻井状态识别，并且复杂情况识别所需的时间远远小于发生钻井复杂情况时钻井液中产生的气泡上升到井口的时间，因此，本发明能够通过不同复杂情况发生时对应的异常的声学特征来判断出复杂情况的具体类型，对早期的气侵、井涌、卡钻、井壁坍塌等现象进行准确预测，并且无需在井下布置测试或监测仪器，实施方法简单、安全可靠、施工成本低。

在说明本发明具体实施步骤前，首先说明本发明的实施原理。在实际的井下钻井施工过程中，井底钻头破岩产生的声音，能够经由井筒液柱传递到地面。由于钻井管柱是钢材管柱，连同其中的流体构成了一个很好的声波传输通道，能够很好地传递声波。因此，井底产生的声音传播到地面时仍能够保持一定的强度，用于进行包括音频分析在内的声学特征分析。具体根据声学特征分析结果与正常钻井施工状态下的声学特征进行持续性的对比分析，得到相应的变化特征，这种变化特征与井下复杂情况的类型有关，不同的井下复杂情况的类型将引起不同的音频变化特征。因此，通过记录传递到地面的钻井套管中的声波信号相对于正常施工状态下的声学特征的对比结果，并实时诊断，便可以及时得知井下是否发生异常的钻井施工情况、以及具体地异常施工情况的类型。

图1为本申请实施例的用于识别钻井施工复杂情况的系统的整体结构示意图。图2为本申请实施例的用于识别钻井施工复杂情况的系统的应用环境示意图。下面结合图1和图2对本发明实施例所述的系统进行说明。

如图1所示，本发明所述的系统包括：信息采集模块100、信号分析模块200、环境识别模块300和结果输出模块400。参考图2，信息采集模块100设置在地面钻井套管处，具体设置在井口或靠近井口的钻井套管内的返排液中，用于按照预设时间间隔，连续采集井下钻头破岩处的表征钻井过程中井下环境状态的音频信号。信号分析模块200集成于地面工控机内，通过信号传输线缆与信息采集模块100连接，用于接收信息采集模块100采集到的音频信号，并对每个采集周期获取到的音频信号进行声学特征分析。环境识别模块300也集成于地面工控机内，并与信号分析模块200连接，用于根据当前声学特征分析结果和预先存储的当前正常声学特征，确定井下是否发生钻井异常情况，并在发生异常情况时确定异常情况的类型，得到相应的诊断结果，以及记录正常钻井环境下的声学特征。结果输出模块400为警示装置(未图示，例如：蜂鸣器、指示灯、显示屏等)，该模块400与环境识别模块300连接，可内置于地面工控机内，也可外置于地面工控机，主要用于输出并响应上述环境识别模块300输出的诊断结果。

需要说明的是，此处的确定井下是否发生钻井异常情况，不仅包括井下是否已发生钻井异常情况，还包括井下是否即将(将要)发生钻井异常情况，以对井下异常情况进行未发生时的预测、以及发生初期的警示(提示)。

具体地，参考图1和图2，下面对本发明所述的系统内的各模块进行具体说明。

信息采集模块100，能够在每个采集时间间隔(信号采集周期)内，采集从钻井管柱连同返排流体构成的声波传输通道中的音频信号。该音频信号是井底钻头破岩处产生的声音经过传输通道后到达井口附近的声波信号，能够反映井下钻井施工状态的信号。其中，上述钻井施工状态至少包括：钻井正常状态和钻井异常状态(即井下异常情况)，钻井异常状态至少包括：卡钻、井涌、井壁坍塌、钻具刺漏和气侵等钻井施工过程中可能发生的不同复杂现象。在本发明实施例中，信息采集模块100采用拾音器或水听器。由于空气钻井时不使用钻井液，而采用空气气流代替钻井液的工艺。具体地，在井筒中吹入高速空气气流，代替钻井液，起到携带岩屑排出井筒并给钻头降温的作用。在一定程度上，可以将水听器比拟成工作在液体环境中的拾音器，当井筒里没有钻井液只有空气时，也就是说，在当前钻井过程应用空气钻井工艺时，信息采集模块100优选地采用拾音器，拾音器设置在井口或靠近井口的钻井套管内。

信号分析模块200能够用于接收实时采集到的音频信号，而后，在每个信号分析时间间隔(信号分析周期)内，对按照采集时间间隔连续采集到的音频信号进行声学特征分析，得到相应的声学特征分析结果。其中，声学特征分析所采用的方法选自时域分析、频谱分析、声功率分析、神经网络分析中的一种或几种。在本发明实施例中，优选采用时域分析、频谱分析方法和声功率分析方法，基于此，相应的声学特征分析结果至少包括：每个信号分析时间间隔内的声音信号频率分布特征、以及声强随频率变化特征(即频谱图，也就是下述所述的频率声强幅度变化特征)。进一步，本发明所述的信号分析周期包含多个信号采集周期，这样，使得信号分析模块200能够接收到一段时间内的连续的音频信号，以对信号分析周期内接收到的连续的音频信号进行声学特征分析。

结果输出模块400为警示装置，能够在得到井下钻井(施工)状态诊断结果后启动，接收钻井状态诊断结果，并对该结果进行输出及响应。具体地，第一个示例，在未发生钻井异常情况(钻井状态正常)时，输出并响应表征当前钻井状态正常的诊断结果信号。第二个示例，在发生钻井异常情况时，通过警示装置(未图示，例如：蜂鸣器、指示灯、显示屏等)，输出并响应表征当前钻井状态异常的诊断结果信号、以及对应的异常情况的类型，以对工作人员进行提示，使得工作人员针对井下具体的复杂情况进行人工检测或执行相应的应对手段。

进一步地，上述结果输出模块400接收钻井状态诊断结果，并响应相应的钻井状态诊断结果，以及在钻井状态诊断结果为异常时，进一步获取下述第一指示信息、下述第二指示信息、下述第三指示信息、下述第四指示信息和下述第五指示信息中的一种或几种，并响应辨别好的井下复杂情况类型的诊断结果，以显示井下复杂情况类型。

再次参考图1和图2，上述环境识别模块300包括：钻井状态诊断子模块310、正常状态记录子模块320和异常类型识别子模块330。

其中，钻井状态诊断子模块310首先用于获取当前钻井工况信息，而后，将当前声学特征分析结果和与当前钻井工况信息对应的正常声学特征进行对比分析，并根据对比分析结果，判断当前对比分析结果是否在预设的变化范围内，得到表征井下钻井正常/异常的钻井状态诊断结果。其中，本发明所述的钻井工况信息包括：钻进工况、起钻工况、下钻工况、接单根工况、循环工况、划眼工况、倒划眼工况等，钻井工况信息由本发明所述的系统之外的人工或其他自动设备给出。需要说明的是，由于在实际钻井施工作业过程中，不同的钻井施工阶段的施工工艺、施工环境、施工注意事项等方面都有不同的特点，具体反映在钻头破岩处便对应有不同的声学特征，本发明将钻井施工过程中不同工况与钻井施工状态识别相结合，能够针对不同的钻井施工工况，对当前音频信号声学特征所处的工况与当前工况对应的正常声学特征进行对应的对比分析，使得钻井施工状态的诊断更加符合实际钻井作业的规律，提高了钻井状态诊断结果的准确性。

进一步，若当前对比分析结果在预设的变化范围内，则表明当前井下钻井状态为正常，生成表示当前井下钻井正常状态的钻井状态诊断结果，并进一步进入到下述正常状态记录子模块320中，用以保存当前声学特征分析结果。此处需要说明的是，在首次使用本发明所述系统而未存储有与当前钻井工况信息对应的正常声学特征，也就是说未存储有下述正常钻进声学特征、正常起钻声学特征、正常下钻声学特征和正常划眼声学特征等中的一种或几种特征时，可由操作人员对得到的当前声学特征分析结果进行确认，若确认为针对当前施工工况的正常状态，则通过下述正常状态记录子模块320将当前声学特征分析结果保存至相应钻井工况对应的特征库中。

进一步，若当前对比分析结果并未在预设的变化范围内，则表明当前井下钻井状态为异常，生成表示当前井下钻井异常状态的钻井状态诊断结果，并进一步进入到下述异常类型识别子模块330中，用以辨别出当前异常情况的类型。

正常状态记录子模块320与钻井状态诊断子模块310连接，用于在确定出当前井下未发生异常情况时，根据当前钻井工况信息，将当前声学特征分析结果保存至相应钻井工况对应的特征库，用以作为下一环境识别周期(信号分析周期)内与钻井施工工况类型对应的正常声学特征。具体地，正常状态记录子模块320包括针对每个钻进工况对应的正常状态特征数据，即正常钻进声学特征库、正常起钻声学特征库、正常下钻声学特征库和正常划眼声学特征库等，分别存储有针对相应钻井施工工况的正常状态下的声学特征信息，用以在进行钻井状态诊断时进行调用，并在确定出当前工况为正常状态后，利用基于当前音频信号得到当前信号分析周期内的当前声学特征分析结果，对相应的工况所属的特征库进行更新。

异常类型识别子模块330与钻井状态诊断子模块310连接，用于在确定出当前井下发生异常情况时启动，从上述钻井状态诊断子模块310得到的对比分析结果数据中筛选出声音信号频率分布特征、以及频率声强幅度变化特征，基于此，结合当前钻井工况信息，利用不同钻井异常现象诊断条件，确定当前钻井工况下的当前异常情况的类型。其中，异常情况类型选自卡钻、井涌、井壁坍塌、钻具刺漏和气侵中的一种或几种。在本发明实施例中，针对每种异常情况均对应有相应的诊断条件，能够根据当前的声强幅度随频率变化特征信息，确定出当前井下异常情况的具体类型。另外，本发明实施例中的每种钻井异常现象诊断条件，还进一步包括针对不同的钻进施工工况对应的与当前异常类型匹配的诊断规则，如卡钻现象诊断条件包括：钻进工况卡钻诊断规则、起钻工况卡钻诊断规则等。

需要说明的是，由于在实际钻井施工作业过程中，不同的钻井施工工况具有不同的特点，并且每种井下异常情况的诱发因素、产生机理等不同影响因素，具体反映在钻头破岩处，不仅对应有基于同一钻井施工工况下不同的异常类型对应有相应的声学特征判定规律，还对应有基于同一异常类型下不同钻井施工工况也对应有相应的声学特征判定规律。因此，本发明将钻井施工过程中不同工况与钻井施工异常状态识别类型相结合，针对不同的钻井异常状态类型对应有一类异常现象诊断条件，每种异常现象诊断条件可对不同钻井施工工况获取到的当前声学特征分析结果进行分析，以确定出当前井下异常情况是基于哪种施工工况的异常状态类型。这样，对当前音频信号声学特征所属工况对应的诊断规则进行井下异常状态类型的辨别，使得异常情况类型的辨别结果更加符合实际钻井作业的规律，提高了钻井异常状态类型辨别结果的准确性、和多样性。

这样，通过上述技术方案能够以较低的成本，能够及时、准确地发现和判断钻井过程中的井下复杂情况，使钻井操作人员能够在井下复杂情况发生的早期，进行有效的处置，降低钻井复杂情况造成的风险和损失。

图3为本申请实施例的用于识别钻井施工复杂情况的系统的第一状态识别单元的工作流程图。下面基于实施例一中所述的系统，结合图1和图3对本发明所述的上述异常情况类型中的卡钻现象的辨别过程所涉及的单元进行说明。

如图1所示，上述异常类型识别子模块330包括第一状态识别单元331，用于对卡钻现象进行识别。参考图3所示，更具体地说，首先，第一状态识别单元331用于步骤S301确定当前钻井工况；而后，步骤S302获取上述钻井状态诊断子模块310得到的对比分析结果信息；然后，步骤S303基于对比分析结果信息，利用卡钻现象诊断条件中与当前钻井工况匹配的相应规则，确定当前井下是否将要或已经发生卡钻现象，得到表示当前钻井工况下井下将要或已经发生/未发生卡钻现象的第一诊断结果；最后，步骤S304生成含有第一诊断结果的第一指示信息，并将其写入上述钻井状态诊断结果后，发送至上述结果输出模块400中，以进行响应。

由于在实际应用过程中，卡钻工况的根据常见原因可分为压差卡钻、泥包卡钻、坍塌卡钻等类型。前两种的共同特点是钻头转速从正常钻进时比较恒定的转速逐渐变小，在卡死不动之前，有一个钻头转速在波动中降低的过程。由于钻头钻速的降低，钻头上用于破岩的齿状结构与岩石的碰撞和摩擦速度下降，使得所产生的声波低频部分能量比例上升。同时，由于声波中与钻头转速同频或倍频的部分一般能量较为集中，当钻头转速下降时这些能量集中的频率范围也随之向低频移动。这两个因素使得钻头转速波动下降的过程中，“频域分析得到的频谱图中，低频分量比例增大，同时高频部分比例减小”。在坍塌卡钻的情况下，钻头上方井壁坍塌掉块，会使钻头突然卡死。虽然，没有这一钻头转速逐渐下降的过程，但是井壁掉块会对沿井筒传播的声波发生显著的阻挡。由于声波中较低频段的分量易于发生绕射，受井壁掉块的阻挡而发生的衰减较小，而高频部分不易发生绕射，受掉块阻挡而发生的衰减较大。所以也会在掉块到达钻头引起卡死之前，检测到声波的低频部分比例增大，高频部分比例减小。这三种最常见的卡钻成因下，都会在钻头卡死之前发生“频域分析得到的频谱图中，低频分量比例增大，同时高频部分比例减小”的情况，也就在钻进工况下，使得低频部分的平均声强幅度增大，而高频部分的平均声强幅度减小。

具体地，步骤S303在当前钻井工况为钻进工况时，从上述对比分析结果信息中筛选出当前频率声强特征，并结合上述正常钻进声学特征库中已存储的正常钻进频率声强特征，计算第一频率范围内的平均声强幅度变化和第二频率范围内的平均声强幅度变化，若第一频率范围内的平均声强幅度变化的减小程度达到或超过预设的卡钻钻进高频变化阈值，并且第二频率范围内的平均声强幅度变化的增大程度达到或超过预设的卡钻钻进低频变化阈值，则确定当前钻进工况下井下将要或已经发生卡钻现象，生成相应的第一诊断结果；否则判断当前钻进工况下井下不存在发生卡钻现象的风险，生成相应的第一诊断结果。

通常，井下钻井过程的声音对应有一定的有效频率分布范围，也就是钻井过程中声音信号所能够涉及的全部频率范围，其中的高频范围为第一频率范围，低频范围为第二频率范围，进一步，第一频率范围的下限值高于第二频率范围的上限值。

需要说明的是，上述卡钻钻进高频变化阈值和卡钻钻进低频变化阈值，分别判断在评价钻进工况的卡钻异常现象时，第一频率范围和第二频率范围的平均声强幅度达到卡钻级别情况下达到的最小幅度变化阈值。本领域技术人员可以根据实际情况对这两个阈值进行相应的设定，本发明对此不作具体限定。

进一步，上述步骤S303还包括：在当前钻井工况为起钻工况时，从上述对比分析结果信息中筛选出当前频率声强变化特征，并结合上述正常起钻声学特征库中已存储的正常起钻频率声强变化特征，计算第一频率范围内的平均声强幅度变化和第二频率范围内的平均声强幅度变化，若第一频率范围内的平均声强幅度变化的增大程度达到或超过预设的卡钻起钻高频变化阈值，并且第二频率范围内的平均声强幅度变化的增大程度达到或超过预设的卡钻起钻低频变化阈值，则表示卡钻风险增大，确定当前起钻工况下井下将要或已经发生卡钻现象，生成相应的第一诊断结果；否则判断当前起钻工况下井下不存在发生卡钻现象的风险，生成相应的第一诊断结果。需要说明的是，上述卡钻起钻高频变化阈值和卡钻起钻低频变化阈值，分别判断在评价起钻工况的卡钻异常现象时，第一频率范围和第二频率范围的平均声强幅度达到卡钻级别情况下达到的最小幅度变化阈值。本领域技术人员可以根据实际情况对这两个阈值进行相应的设定，本发明对此不作具体限定。

进一步，上述步骤S303还包括：在当前钻井工况为下钻工况时，从上述对比分析结果信息中筛选出当前频率声强变化特征，并结合上述正常下钻声学特征库中已存储的正常下钻频率声强变化特征，计算第一频率范围内的平均声强幅度变化和第二频率范围内的平均声强幅度变化，若第一频率范围内的平均声强幅度变化的增大程度达到或超过预设的卡钻下钻高频变化阈值，并且第二频率范围内的平均声强幅度变化的增大程度达到或超过预设的卡钻下钻低频变化阈值，则表示卡钻风险增大，确定当前起钻工况井下将要或已经发生卡钻现象，生成相应的第一诊断结果；否则判断当前下钻工况井下不存在发生卡钻现象的风险，生成相应的第一诊断结果。需要说明的是，上述卡钻下钻高频变化阈值和卡钻下钻低频变化阈值，分别判断在评价下钻工况的卡钻异常现象时，第一频率范围和第二频率范围的平均声强幅度达到卡钻级别情况下达到的最小幅度变化阈值。本领域技术人员可以根据实际情况对这两个阈值进行相应的设定，本发明对此不作具体限定。

这样，通过上述技术方案能够根据已获得的当前钻井工况和当前声学特征分析结果后，利用卡钻现象诊断条件中与当前钻井工况对应的规则，及时、准确地识别出当前井下是否即将或已经发生符合当前钻井工况声学特征的卡钻现象。

图4为本申请实施例的用于识别钻井施工复杂情况的系统的第二状态识别单元的工作流程图。下面基于实施例一或实施例二中所述的系统，结合图1和图4对本发明所述的上述异常情况类型中的井壁坍塌现象的辨别过程所涉及的单元进行说明。

如图1所示，上述异常类型识别子模块330还包括第二状态识别单元332，用于对井壁坍塌现象进行识别。参考图4所示，更具体地说，首先，第二状态识别单元332用于步骤S401确定当前钻井工况；而后，步骤S402获取上述钻井状态诊断子模块310得到的对比分析结果信息；然后，步骤S403基于对比分析结果信息，利用卡钻现象诊断条件中与当前钻井工况匹配的相应规则，确定当前井下是否将要或已经发生井壁坍塌现象，得到表示当前钻井工况下井下将要或已经发生/未发生井壁坍塌现象的第二诊断结果；最后，步骤S404生成含有第二诊断结果的第二指示信息，并将其写入上述钻井状态诊断结果后，发送至上述结果输出模块400中，以进行响应。

在实时应用过程中，已经钻过的井壁在多种因素作用下有时会发生变形并掉落岩块的现象，当掉落的岩块尺寸较大、数量较多时，称为井壁坍塌现象。有时较大量的岩块直接落到钻头处导致钻头卡死，钻头被岩块填埋，此时，称为埋钻。有时岩块在下落过程中，在钻柱的碰撞挤压和钻头的研磨之下，破碎成小颗粒的岩屑，不导致故障。真正易于造成故障的情况，是掉落的岩块未落到井底，没有被钻头研磨，而是卡在井筒中间。虽然，在钻柱的碰撞挤压下部分破碎形成了大于钻柱直径的孔道，不影响钻柱转动，但是，这种孔道的直径小于钻头直径，当进行起钻操作时，会阻挡钻头，造成卡钻等故障。本发明能够针对这种井壁坍塌现象进行预警。当岩块脱离井壁后，经过钻柱和井壁构成的环形空间下落，会阻挡由井底钻头位置向上传递的声波，该声波的高频部分绕射能力较差，振幅下降较大，可以降低50％以上，随后在钻柱的碰撞挤压下，部分岩块破碎，重新形成大于钻柱直接的孔道，声波的向上传播通道恢复，通常，这个过程可能会持续5秒到1分钟。因此，在本发明实施例中，如果出现“高频分量振幅出现短时间的降低(振幅降低50％以上，持续5秒至1分钟后恢复)”的情况，即可判断发生了井壁坍塌。

具体地，步骤S403在当前钻井工况为钻进工况时，从上述对比分析结果信息中筛选出当前频率声强变化特征，并结合上述正常钻进声学特征库中已存储的正常钻进频率声强特征，判断是否出现第一频率范围内的声强幅度降低且降低程度达到或超过正常频率声强(即正常钻进频率声强特征的平均声强幅度)的一半，以及持续这一幅度降低状态的时间达到预设的井壁坍塌持续时间范围并在该时间范围外恢复的现象，若满足，则确定当前钻进工况下井下将要或已经发生井壁坍塌现象，生成相应的第二诊断结果；若不满足，则判断当前钻进工况下井下不存在发生井壁坍塌现象的风险，生成相应的第二诊断结果。

需要说明的是，上述井壁坍塌持续时间范围，用于判断在评价钻进工况的井壁坍塌异常现象时，第一频率范围的声强幅度出现降低状态达到井壁坍塌级别情况下所达到的时间范围的限定，优选为5～60秒。例如：当前钻进频率声强特征的高频分量振幅出现短时间的降低，并且振幅降低50％以上，以及持续5秒至1分钟后恢复。

这样，通过上述技术方案能够根据已获得的当前钻井工况和当前声学特征分析结果后，利用井壁坍塌现象诊断条件中与当前钻井工况对应的规则，及时、准确地识别出当前井下是否即将或已经发生符合当前钻井工况声学特征的井壁坍塌现象。

图5为本申请实施例的用于识别钻井施工复杂情况的系统的第三状态识别单元的工作流程图。下面基于实施例一、或实施例二、或实施例三所述的系统，结合图1和图5对本发明所述的上述异常情况类型中的钻具刺漏现象的辨别过程所涉及的单元进行说明。

如图1所示，上述异常类型识别子模块330还包括第三状态识别单元333，用于对钻具刺漏现象进行识别。参考图5所示，更具体地说，首先，第三状态识别单元333用于步骤S501确定当前钻井工况；而后，步骤S502获取上述钻井状态诊断子模块310得到的对比分析结果信息；然后，步骤S503将上述对比分析结果中的当前频率声强变化特征和正常钻进/划眼频率声强特征，按照预设的频率间隔分别进行划分，得到不同频率段的声强幅度变化特征(即包括针对当前频率声强变化特征的不同频率段的声强幅度变化特征，以及针对正常钻进/划眼频率声强特征的不同频率段的声强幅度特征)；接着，步骤S504基于步骤S503得到的不同频率段的声强幅度变化特征，利用钻具刺漏现象诊断条件中与当前钻井阶段匹配的相应规则，确定当前井下是否将要或已经发生钻具刺漏现象，得到表示当前钻井工况下井下将要或已经发生/未发生钻具刺漏现象的第三诊断结果；最后，步骤S505生成含有第三诊断结果的第三指示信息，并将其写入上述钻井状态诊断结果后，发送至上述结果输出模块400中，以进行响应。通常，井下钻井过程的声音对应有一定的有效频率分布范围，也就是钻井过程中声音信号所能够涉及的全部频率范围，在本发明实施例中，需要将基于这个有效检测频率范围的当前频率声强变化特征，按照预设的频率间隔段划分为相应数量的含有不用频率范围的频率段，每个频率段对应有相应的声强幅度变化特征，需要说明的是，本发明对频率间隔的数值不作具体限定，本领域技术人员可根据实际需求进行设定。

在实际应用过程中，由于钻柱是由各类中空的钻具构成的，进一步钻具刺漏是指构成钻柱钻具的壁发生洞穿，导致钻具内外空间发生连通。此时，由于钻具内腔的流体压力一般大于钻具外部的流体压力，会发生钻具内腔的流体向外流动，形成流体喷射，并且这种流体喷射是跟随钻柱旋转的。此时，旋转的流体喷射，会对井筒环形空间产生周期性的阻挡或共振，导致传播到井口的声波产生周期性的加强或减弱，其周期与钻柱转动周期一致。

具体地，步骤S504在当前钻井工况为钻进工况时，根据上述步骤S503得到的不同频率段的声强变化幅度(即包括针对当前频率声强变化特征的不同频率段的声强幅度变化特征，以及针对正常钻进频率声强特征的不同频率段的声强幅度特征)，判断任意频率段(其中，一个或多个频率段)是否存在以钻具刺漏识别时间周期性出现的高峰或低谷，若存在，则确定当前钻进工况下井下将要或已经发生钻具刺漏现象，生成相应的第三诊断结果；若不存在，则判断当前钻进工况下井下不存在发生钻具刺漏现象的风险，生成相应的第三诊断结果。其中，在本发明实施例中，钻具刺漏识别时间(钻具刺漏识别周期)与钻柱旋转周期相同。

进一步，步骤S504还包括在当前钻井工况为划眼工况时，根据上述步骤S503得到的不同频率段的声强变化幅度(即包括针对当前频率声强变化特征的不同频率段的声强幅度变化特征，以及针对正常划眼频率声强特征的不同频率段的声强幅度特征)，判断任意频率段(其中，一个或多个频率段)是否存在以钻具刺漏识别时间周期性出现的高峰或低谷，若存在，则确定当前划眼工况下井下将要或已经发生钻具刺漏现象，生成相应的第三诊断结果；若不存在，则判断当前划眼工况下井下不存在发生钻具刺漏现象的风险，生成相应的第三诊断结果。

这样，通过上述技术方案能够根据已获得的当前钻井工况和当前声学特征分析结果后，利用钻具刺漏现象诊断条件中与当前钻井工况对应的规则，及时、准确地识别出当前井下是否即将或已经发生符合当前钻井工况声学特征的钻具刺漏现象。

图6为本申请实施例的用于识别钻井施工复杂情况的系统的第四状态识别单元的工作流程图。下面基于实施例一、或实施例二、或实施例三、或实施例四所述的系统，结合图1和图6对本发明所述的上述异常情况类型中的井涌现象的辨别过程所涉及的单元进行说明。

如图1所示，上述异常类型识别子模块330还包括第四状态识别单元334，用于对井涌现象进行识别。参考图6所示，更具体地说，首先，第四状态识别单元334用于步骤S601确定当前钻井工况；而后，步骤S602获取上述钻井状态诊断子模块310得到的对比分析结果信息；然后，步骤S603将上述对比分析结果中的当前频率声强变化特征和正常起钻频率声强特征，按照预设的频率间隔分别进行划分，得到不同频率段的声强幅度变化特征(即包括针对当前频率声强变化特征的不同频率段的声强幅度变化特征，以及针对正常起钻/下钻频率声强特征的不同频率段的声强幅度特征)；接着，步骤S604基于步骤S603得到的不同频率段的声强幅度变化特征，利用井涌现象诊断条件中与当前钻井工况匹配的相应规则，确定当前工况下井下是否将要或已经发生井涌现象，得到表示当前钻井工况下井下将要或已经发生/未发生井涌现象的第四诊断结果；最后，步骤S605生成含有第四诊断结果的第四指示信息，并将其写入上述钻井状态诊断结果后，发送至上述结果输出模块400中，以进行响应。

在实际应用过程中，由于下钻过程一般不会出现井涌，故在起钻过程中，钻头及其附带的岩屑与井壁有可能形成活塞效应，当起钻速度较快时，造成井底压力下降，进一步当地层流体压力大于井底压力时，就有可能发生井涌。井涌发生时，地层流体从井壁裂缝突然涌入井筒，会爆发出声响。由于没有特定的滤波机理，将会使每个频率段都会出现能谱高峰。但是已经发生井涌后，地层流体持续地流入井筒，流态从爆发流入变为相对稳定的流动，因此，频谱高峰会比较短暂。

具体地，步骤S604在当前钻井工况为起钻阶段时，根据上述步骤S603得到的不同频率段的声强幅度变化特征(即包括针对当前频率声强变化特征的不同频率段的声强幅度变化特征，以及针对正常起钻频率声强特征的不同频率段的声强幅度特征)，判断每个频率段是否均出现在预设的井涌检测持续时间内的持续高峰，若出现，则确定当前起钻阶段井下将要发生井涌现象，生成相应的第四诊断结果；若不出现，则判断当前起钻阶段井下不存在将要发生井涌现象的风险，生成相应的第四诊断结果。

需要说明的是，上述井涌检测持续时间，用于判断在评价起钻阶段的井涌异常现象时，针对每个频率段中出现声强幅度高峰值持续时间达到井涌级别情况下的最小时间阈值。本领域技术人员可以根据实际情况对这一阈值进行相应的设定，本发明对此不作具体限定。

进一步，步骤S604在当前钻井工况为起钻阶段时，根据上述步骤S603得到的不同频率段的声强幅度变化特征(即包括针对当前频率声强变化特征的不同频率段的声强幅度变化特征，以及针对正常起钻频率声强特征的不同频率段的声强幅度特征)，判断每个频率段是否均出现短暂高峰，若出现，则确定当前起钻阶段井下已经发生井涌现象，生成相应的第四诊断结果；若不出现，则判断当前起钻阶段井下不存在已经发生井涌现象的风险，生成相应的第四诊断结果。

这样，通过上述技术方案能够根据已获得的当前钻井工况和当前声学特征分析结果后，利用井涌现象诊断条件中与当前钻井工况对应的规则，及时、准确地识别出当前井下是否即将或已经发生符合当前钻井工况声学特征的井涌现象。

图7为本申请实施例的用于识别钻井施工复杂情况的系统的第五状态识别单元的工作流程图。下面基于实施例一、或实施例二、或实施例三、或实施例四、或实施例五所述的系统，结合图1和图7对本发明所述的上述异常情况类型中的气侵现象的辨别过程所涉及的单元进行说明。

如图1所示，上述异常类型识别子模块330还包括第五状态识别单元335，用于对气侵现象进行识别。参考图7所示，更具体地说，首先，第五状态识别单元335用于步骤S701确定当前钻井工况；而后，步骤S702获取上述钻井状态诊断子模块310得到的对比分析结果信息；然后，步骤S703将上述对比分析结果中的当前频率声强变化特征和正常钻进频率声强特征，按照预设的频率间隔分别进行划分，得到不同频率段的声强幅度变化特征(即包括针对当前频率声强变化特征的不同频率段的声强幅度变化特征，以及针对正常钻进频率声强特征的不同频率段的声强幅度特征)；接着，步骤S704基于步骤S703得到的不同频率段的声强幅度变化特征，利用气侵现象诊断条件中与当前钻井工况匹配的相应规则，确定当前井下是否将要或已经发生气侵现象，得到表示当前钻井工况下井下将要或已经发生/未发生气侵现象的第五诊断结果；最后，步骤S605生成含有第五诊断结果的第五指示信息，并将其写入上述钻井状态诊断结果后，一并发送至上述结果输出模块400中，以进行响应。

由于在发生井下气侵时，钻井液中的气泡对声波的传播有衰减作用，由于波长大于气泡直径的声波发生绕射其衰减程度较小，所以声波中越低频的部分衰减程度越小，越高频的部分衰减程度越大。因此，在识别气侵现象时，需要在判断出高频段部分衰减程度大于低频段部分衰减程度的情况下，才可判断此时即将发生或已经发生了气侵的现象。

具体地，步骤S704在当前钻井阶段为钻进工况时，根据上述步骤S703得到的不同频率段的声强幅度变化特征(即包括针对当前频率声强变化特征的不同频率段的声强幅度变化特征，以及针对正常钻进频率声强特征的不同频率段的声强幅度特征)，计算第一频率范围内的平均声波衰减程度和第二频率范围内的平均声波衰减程度，若在预设的气侵诊断时间阈值内第一频率范围内的平均声波衰减程度持续高于第二频率范围内的平均声波衰减程度，则确定当前钻进工况下井下将要或已经发生气侵现象，生成相应的第五诊断结果；否则，确定当前钻进工况下井下不存在发生气侵现象的风险，生成相应的第五诊断结果。

需要说明的是，上述气侵诊断时间阈值，用于判断在评价气侵异常现象时，针对第一频率范围和第二频率范围的平均声波衰减程度的持续时间达到气侵级别情况下的最小时间阈值。本领域技术人员可以根据实际情况对这一阈值进行相应的设定，本发明对此不作具体限定。

这样，通过上述技术方案能够根据已获得的当前钻井阶段和当前声学特征分析结果后，利用气侵现象诊断条件中与当前钻井阶段对应的规则，及时、准确地识别出当前井下是否即将或已经发生符合当前钻井工况声学特征的气侵现象。

综上所述，本发明提出了一种用于识别钻井施工复杂情况的系统，该系统利用信号采集模块在靠近地面的套管内或套管外，收集钻井液返浆中的声波信号，通过信号分析模块分析声波信号的声学特征，而后，环境识别模块根据声学特征分析结果实时推算钻井状态，并在钻井状态异常时识别井下复杂情况的类型，从而能够以较低的成本，实时发现和判断钻井过程中的井下复杂情况类型的功能。与现有方法相比本发明具有更高的及时性和准确率，通过及时、准确地发现井下复杂情况，使钻井操作人员能够在井下复杂情况发生的早期，进行有效的处置，降低钻井复杂情况造成的风险和损失。

具体地，本发明具有如下优势：第一，本发明无需在井下布置仪器，系统构成主要为地面仪器，数量少且仪器构成简单，布置实施方法简单，安全可靠，施工成本较现有方法和技术更低。其次，本发明检测井下钻井风险及井下复杂情况类型的准确率更高。更进一步地说，由于每种井下复杂情况都会引发特定的音频信号特征变化，并且现有技术中多采用根据路径特征参数的特征变化来确定不同井下复杂情况，这种方式可能会发生针对不同井下复杂情况引发相似的录井参数特征变化的特点，从而大大影响不同井下异常情况识别结果的准确性，而本发明通过检测钻井过程中实时采集到的可表征钻井过程井下情况的音频信号的频谱特征，针对不同情况间的频谱特征差异较大，可有效避免这一现有技术的缺陷，达到提高井下复杂状况辨别结果准确性的效果，因此本发明所述的系统能够更准确地判断井下复杂情况。

最后，本发明所述的系统能够更及时地发现井下复杂情况。由于井底声波沿着钻井管柱传递到地面所需的时间，远远小于井底复杂情况引发录井参数变化所需的时间，并且分析声学特征变化的时间，远远小于分析录井参数变化特征的时间，另外，由于音频信号的采样频率为数万赫兹，而录井参数的采样频率一般低于1Hz，本发明中的分析音频特征只需分析几毫秒至几十毫秒的音频信号，现有技术中分析录井参数变化规律则一般需要分析几秒到十几分钟的录井参数。因此，本发明所述的系统得到最终井下复杂状况辨别结果的效率更高，更能及时地判断井下复杂情况。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人员在本发明所揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。